CN114599213B - 一种双相冷板液冷系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种双相冷板液冷系统及其控制方法，所述系统包括：冷凝储液器、蒸发器、冷却水循环管道和冷媒循环管道，冷凝储液器上设有冷却水进口、冷却水出口、冷媒入口和冷媒出口，冷却水循环管道的第一端与冷却水进口连通，冷却水循环管道的第二端与冷却水出口连通，冷媒循环管道的第一端与冷媒入口连通，冷媒循环管道的第二端与冷媒出口连通，蒸发器设在冷媒循环管道上；冷却水循环管道上设有第一循环泵，冷媒循环管道上设有第二循环泵。本发明实现了双相冷板液冷系统集成化，小型化和轻量化目标，加热和制冷液体时不额外耗电，也不额外增加系统的散热量，并且能够大幅提升冷凝效率。

Description

一种双相冷板液冷系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及计算机冷却技术领域，更具体的说是涉及一种双相冷板液冷系统及其控制方法。

背景技术

随着云计算、大数据蓬勃发展，数据量的爆发式增长推动数据中心发市场迅猛发展，但其建设一直被能耗过大等环境议题所困扰，因此，建设绿色数据中心是其发展的必然趋势。为满足不断增长的算力需求，单机柜功率密度越来越高，未来五年内，40kW机柜将会成为主流，而当单机柜功率密度达到20kW时风冷系统就已接近其经济有效的制冷极限。在此背景下，低PUE、高解热密度的液冷数据中心散热技术应运而生。双相冷板式液冷利用工质的汽化相变潜热快速带走热量，无疑具有更高的冷却效率，同时相变潜热远大于显热，循环工质流量更小，循环泵的功耗更低，必然有更低的PUE值。两相冷板液冷系统是用工质在循环流动过程中的沸腾吸热和凝结放热过程，进行热量收集、输送的系统。工质在循环泵的驱动下流入蒸发器，在进入蒸发器后工质吸收热量由单相液态变成气液两相状态，两相流体经过冷凝器释放热量后由气液两相变回为液态，再进入循环泵，形成吸热、输送和放热的整个循环。两相流态系统压力不稳定，同时泵入口要求过冷度3～5℃，过低容易发生汽化，影响泵的寿命和可靠性，过低成了单相液冷，散热效率急剧下降。当前，两相冷板液冷系统仍存在系统部件多，体积大，稳压罐控温耗电等诸多不足。

目前双相冷板液冷技术在数据中心的应用案例较少，规模也偏小。申请号为201710501714.4发明专利申请，提供了一种用于高热流电子器件散热的泵驱两相回路装置，利用工质在循环流动过程中的蒸发吸热和冷凝放热过程，进行热量收集和输运。其系统除了循环泵，蒸发器外，还包括储液器，冷凝器，回热器，预热器，系统部件较多，体积较大，难以满足电子散热行业需要的集成化，小型化和轻量化需求；同时，其储液器电加热器需要额外供电，不仅增加了系统的电耗，最终这部分电耗还会转化为热量，进一步增加了冷凝器的散热压力，其制冷选用循环泵出口的冷媒作为冷却剂，由于泵出口过冷度相当有限，否则进入蒸发器的冷媒温度距离沸点过低变成单相对流，所以其制冷效果也非常有限。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种双相冷板液冷系统及其控制方法，实现了双相冷板液冷系统集成化，小型化和轻量化目标，加热和制冷液体时不额外耗电，也不额外增加系统的散热量，并且能够大幅提升冷凝效率。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种双相冷板液冷系统，包括：冷凝储液器、蒸发器、冷却水循环管道和冷媒循环管道，冷凝储液器上设有冷却水进口、冷却水出口、冷媒入口和冷媒出口，冷却水循环管道的第一端与冷却水进口连通，冷却水循环管道的第二端与冷却水出口连通，冷媒循环管道的第一端与冷媒入口连通，冷媒循环管道的第二端与冷媒出口连通，蒸发器设在冷媒循环管道上；冷却水循环管道上设有第一循环泵，冷媒循环管道上设有第二循环泵。通过上述结构，实现了液体工质在循环泵的驱动下进入蒸发器内，吸收热源热量后部分发生汽化变为气液两相流，然后在冷凝储液器内释放热量后变回液态并回流至循环泵入口，如此往复进行冷却散热。

进一步，冷凝储液器包括密闭壳体，密闭壳体内设有相互密闭隔离的储液室和冷凝室；储液室包括进液腔和出液腔，进液腔和出液腔通过隔板密闭隔离，冷却水进口设在进液腔的侧壁上，冷却水出口设在出液腔的侧壁上；冷凝室内设有冷凝盘管、制冷盘管和气液分离器，冷凝盘管分别与制冷盘管和进液腔连通，制冷盘管与出液腔连通；冷媒出口设在冷凝室底部，冷媒入口设在冷凝室上部，冷媒入口与气液分离器的进液口密闭连通。

进一步，冷媒循环管道上设有加热管道，加热管道的第一端与冷媒循环管道连通，加热管道的第二端与冷凝室的下部连通，加热管道上设有加热调节阀。通过上述结构，从蒸发器出来的两相流态冷媒分别进入气液分离器和冷凝室的液体中，进入气液分离器中的两相流经过分离后气体从顶部排出到达冷凝盘管外表面冷凝成液体滴落至冷凝室的底部，分离后的液体直接滴落至冷凝室的底部，进入冷凝室液体中的两相流加热底部液态冷媒，避免底部出口冷媒过冷度过大。冷却水进入冷凝盘管内部和制冷盘管内部，分别冷凝气液分离器顶部排出的气体和冷却冷凝室底部的液态冷媒，避免底部出口冷媒过冷度过小。气液分离后蒸汽可与冷凝盘管表面直接接触，相比两相流态冷媒可大幅降低液膜导热热阻，从而提升冷凝器的冷凝效率。

进一步，冷媒循环管道的第一端上设有流量计和焓值变送器。

进一步，冷凝室的上部设有压力传感器，冷凝室的下部设有温度传感器和液位传感器。

进一步，制冷盘管设在冷凝室的下部，冷凝盘管设在制冷盘管的上方，制冷盘管上设有制冷调节阀。

进一步，冷却水循环管道的第一端上设有进水调节阀。

进一步，冷凝室的底部设有补液口，补液口上设有补液控制阀。

进一步，所述系统还包括控制模块和数据采集模块，数据采集模块分别与加热调节阀、流量计、焓值变送器、压力传感器、温度传感器、液位传感器、制冷调节阀、进水调节阀和补液控制阀信号连接，控制模块分别与数据采集模块、加热调节阀、制冷调节阀、进水调节阀和补液控制阀信号连接。通过数据采模块实时采集压力，温度，液位测点，调节阀，流量计，焓值变送器等信号，控制模块根据目标值调节对应阀门启闭或开度，实现了自动冷凝、储液、气液分离、稳压、缓冲、调节泵入口过冷度、液位监控，注/补液等功能。

相应的，本发明公开了一种双相冷板液冷系统的控制方法，包括：

设置冷凝储液器内部的压力目标域P0、过冷度目标域T0和液位目标域L0；实时检测冷凝储液器内部的压力值P、过冷度T和液位值L；

判断液位值L是否在液位目标域L0范围内，若是，则维持当前液位，否则通过控制模块向补液控制阀发出信号执行补液动作，并继续检测冷凝储液器内部的液位值L；

判断冷凝储液器内部的压力值P是否在压力目标域P0范围内，若否，则通过控制模块向进水调节阀发出信号调节进水调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的压力值P；

若是，则判断冷凝储液器内部的过冷度T是否在过冷度目标域T0范围内，若是，则维持当前过冷度，否则通过控制模块发出信号调节加热调节阀或制冷调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的过冷度T。

对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明公开了一种双相冷板液冷系统及其控制方法，实现了双相冷板液冷系统集成化，小型化和轻量化目标，基于冷凝储液器，可以大幅提升冷凝效率，加热和制冷液体时不额外耗电，也不额外增加系统的散热量。本发明可应用于通用产品，高性能产品，AI服务器产品等，特别适合应用于高功耗高密度产品。当上述产品采用本发明时可轻松突破高功耗高热流密度芯片、高密度服务器和高功率密度机柜的散热瓶颈，满足更高的散热需求，同时有助于实现绿色节能的目标。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

附图1是本发明具体实施方式的系统结构图。

附图2是本发明具体实施方式的冷凝储液器的结构示意图。

附图3是本发明具体实施方式的控制原理图。

附图4是本发明具体实施方式的控制方法流程图。

图中，1为冷凝储液器；2为蒸发器；3为冷却水循环管道；4为冷媒循环管道；5为第一循环泵；6为第二循环泵；7为密闭壳体；8为冷凝盘管；9为制冷盘管；10为气液分离器；11为冷却水进口；12为冷却水出口；13为冷媒入口；14为冷媒出口；15为加热管道；16为加热调节阀；17为压力传感器；18为温度传感器；19为液位传感器；20为制冷调节阀；21为补液控制阀；22为流量计；23为焓值变送器；24为进水调节阀；25为控制模块；26为数据采集模块；71为储液室；72为冷凝室；711为进液腔；712为出液腔；713为隔板；721为补液口。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种双相冷板液冷系统，现有技术中，采用的制冷系统除了循环泵，蒸发器外，还包括储液器，冷凝器，回热器，预热器，系统部件较多，体积较大，难以满足电子散热行业需要的集成化，小型化和轻量化需求；同时，其储液器电加热器需要额外供电，不仅增加了系统的电耗，最终这部分电耗还会转化为热量，进一步增加了冷凝器的散热压力，其制冷选用循环泵出口的冷媒作为冷却剂，由于泵出口过冷度相当有限，否则进入蒸发器的冷媒温度距离沸点过低变成单相对流，所以其制冷效果也非常有限。

而本发明提供的双相冷板液冷系统，采用液体工质在循环泵的驱动下进入蒸发器内，吸收热源热量后部分发生汽化变为气液两相流，然后在冷凝储液器内释放热量后变回液态并回流至循环泵入口，如此往复进行冷却散热。而且，本系统的冷凝储液器融合了冷凝，储液，气液分离，稳压，缓冲，调节泵入口过冷度，液位监控，注/补液功能。以此实现了双相冷板液冷系统集成化，小型化和轻量化目标，能够大幅提升冷凝效率。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种双相冷板液冷系统，包括：冷凝储液器1、蒸发器2、冷却水循环管道3和冷媒循环管道4，冷凝储液器1上设有冷却水进口11、冷却水出口12、冷媒入口13和冷媒出口14，冷却水循环管道3的第一端与冷却水进口11连通，冷却水循环管道3的第二端与冷却水出口12连通，冷媒循环管道4的第一端与冷媒入口13连通，冷媒循环管道4的第二端与冷媒出口14连通，蒸发器2设在冷媒循环管道4上；冷却水循环管道3上设有第一循环泵5，冷媒循环管道4上设有第二循环泵6。

通过上述结构，实现了液体工质在循环泵的驱动下进入蒸发器2内，吸收热源热量后部分发生汽化变为气液两相流，然后在冷凝储液器1内释放热量后变回液态并回流至循环泵入口，如此往复进行冷却散热。

如图2所示，冷凝储液器1包括密闭壳体7，密闭壳体7内设有相互密闭隔离的储液室71和冷凝室72；储液室71包括进液腔711和出液腔712，进液腔711和出液腔712通过隔板713密闭隔离，冷却水进口11设在进液腔711的侧壁上，冷却水出口12设在出液腔712的侧壁上；冷凝室72内设有冷凝盘管8、制冷盘管9和气液分离器10，冷凝室72的上部设有压力传感器17，冷凝室72的下部设有温度传感器18和液位传感器19，冷凝室72的底部设有补液口721，补液口721上设有补液控制阀21。

具体的，制冷盘管9设在冷凝室72的下部，冷凝盘管8设在制冷盘管9的上方，制冷盘管9上设有制冷调节阀20。冷凝盘管8分别与制冷盘管9和进液腔711连通，制冷盘管9与出液腔712连通；冷媒出口14设在冷凝室72底部，冷媒入口13设在冷凝室72上部，冷媒入口13与气液分离器10的进液口密闭连通。其中，冷媒循环管道4上设有加热管道15，加热管道15的第一端与冷媒循环管道4连通，加热管道15的第二端与冷凝室的下部连通，加热管道15上设有加热调节阀16。冷媒循环管道4的第一端上设有流量计22和焓值变送器23。另外，冷却水循环管道3的第一端上还设有进水调节阀24。

基于上述结构可知，冷凝储液器1融合了冷凝，储液，气液分离，稳压，缓冲，调节泵入口过冷度，液位监控，注/补液功能，具体工作原理如下：

从蒸发器2出来的两相流态冷媒分别进入气液分离器10和冷凝储液器1液体中，进入气液分离器10中的两相流经过分离后气体从顶部排出到达冷凝盘管8外表面冷凝成液体滴落至冷凝储液器的底部，分离后的液体直接滴落至冷凝储液器的底部，进入冷凝储液器1液体中的两相流加热底部液态冷媒，避免底部出口冷媒过冷度过大。冷却水进入冷凝盘管8内部和制冷盘管9内部，分别冷凝气液分离器10顶部排出的气体和冷却冷凝储液器1底部的液态冷媒，避免底部出口冷媒过冷度过小。气液分离后蒸汽可与冷凝盘管8表面直接接触，相比两相流态冷媒可大幅降低液膜导热热阻，从而提升冷凝器的冷凝效率。

另外，本实施例的冷凝储液器1具有可制造性和可维护性的优点。具体来说：冷凝储液器1的管程(冷凝盘管和制冷盘管)可选用成熟的套片焊接制程，材质可视需求选用铜，不锈钢等，壳程(冷媒流程)可选用常用压力容器管箱结构，密封结构选用法兰隔板，维护时拆开法兰隔板抽出盘管即可维护，具备工艺成熟，造价较低，选材范围广，冷凝能力强，适应高温高压要求，维护便捷的特点。

如图3所示，本系统还包括控制模块25和数据采集模块26，数据采集模块26分别与加热调节阀16、流量计22、焓值变送器23、压力传感器17、温度传感器18、液位传感器19、制冷调节阀20、进水调节阀24和补液控制阀21信号连接，控制模块25分别与数据采集模块26、加热调节阀16、制冷调节阀20、进水调节阀24和补液控制阀21信号连接。

通过上述控制逻辑，数据采集模块26能够实时采集压力，温度，液位测点，调节阀，流量计，焓值变送器等信号，控制模块25根据目标值调节对应阀门启闭或开度，有效的保证了制冷效果和制冷效率。

具体来说，对冷凝储液器的压力调节过程如下：

通过冷却水进口调节阀门控制流量调节冷凝室的冷凝能力，实现冷媒侧冷凝温度的调节，由于两相态冷媒的温度和压力一一对应，从而实现冷凝室内部压力调节，当系统负载具有大幅急剧波动特性时，可通过在冷媒入口管段引入流量计和焓值变送器，根据冷媒入口流量和焓值与冷媒出口流量和焓值之差计算出实时散热量，然后根据冷却水进口阀门开度和散热能力特性曲线，可以快速调节阀门开度到对应位置并稳定下来。

对冷凝储液器的过冷度调节过程如下：

通过制冷调节阀的启闭或开度调节由冷凝盘管和制冷盘管组成的半浸入式冷凝器的制冷能力，当冷凝储液器底部液体温度过冷度偏小时，打开或增大制冷调节阀的开度，过冷度达到目标值时停止调节。相应的，通过冷媒入口加热调节阀的启闭或开度调节冷凝储液器的加热能力，当冷凝储液器底部液体温度过冷度偏大时，打开或者增大加热调节阀的开度，过冷度达到目标值时停止调节。

对冷凝储液器的液位调节过程如下：

当冷凝储液器底部液位达到目标液位高位时停止补液，低于目标液位低位时开始补液。

实施例二：

基于实施例一，如图4所示，本发明还公开了一种双相冷板液冷系统的控制方法，包括：

设置冷凝储液器内部的压力目标域P0、过冷度目标域T0和液位目标域L0；实时检测冷凝储液器内部的压力值P、过冷度T和液位值L。

判断液位值L是否在液位目标域L0范围内，若是，则维持当前液位，否则通过控制模块向补液控制阀发出信号执行补液动作，并继续检测冷凝储液器内部的液位值L。

判断冷凝储液器内部的压力值P是否在压力目标域P0范围内，若否，则通过控制模块向进水调节阀发出信号调节进水调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的压力值P。

若是，则判断冷凝储液器内部的过冷度T是否在过冷度目标域T0范围内，若是，则维持当前过冷度，否则通过控制模块发出信号调节加热调节阀或制冷调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的过冷度T。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的双相冷板液冷系统及其控制方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双相冷板液冷系统，其特征在于，包括：冷凝储液器、蒸发器、冷却水循环管道和冷媒循环管道，冷凝储液器上设有冷却水进口、冷却水出口、冷媒入口和冷媒出口，冷却水循环管道的第一端与冷却水进口连通，冷却水循环管道的第二端与冷却水出口连通，冷媒循环管道的第一端与冷媒入口连通，冷媒循环管道的第二端与冷媒出口连通，蒸发器设在冷媒循环管道上；所述冷却水循环管道上设有第一循环泵，冷媒循环管道上设有第二循环泵；

所述冷凝储液器包括密闭壳体，密闭壳体内设有相互密闭隔离的储液室和冷凝室；

储液室包括进液腔和出液腔，进液腔和出液腔通过隔板密闭隔离，所述冷却水进口设在进液腔的侧壁上，冷却水出口设在出液腔的侧壁上；

所述冷凝室内设有冷凝盘管、制冷盘管和气液分离器，冷凝盘管分别与制冷盘管和进液腔连通，制冷盘管与出液腔连通；所述冷媒出口设在冷凝室底部，冷媒入口设在冷凝室上部，冷媒入口与气液分离器的进液口密闭连通；

所述冷媒循环管道上设有加热管道，加热管道的第一端与冷媒循环管道连通，加热管道的第二端与冷凝室的下部连通，加热管道上设有加热调节阀。

2.根据权利要求1所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述冷媒循环管道的第一端上设有流量计和焓值变送器。

3.根据权利要求2所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述冷凝室的上部设有压力传感器，冷凝室的下部设有温度传感器和液位传感器。

4.根据权利要求3所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述制冷盘管设在冷凝室的下部，冷凝盘管设在制冷盘管的上方，制冷盘管上设有制冷调节阀。

5.根据权利要求4所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述冷却水循环管道的第一端上设有进水调节阀。

6.根据权利要求5所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述冷凝室的底部设有补液口，补液口上设有补液控制阀。

7.根据权利要求6所述的双相冷板液冷系统，其特征在于，所述系统还包括控制模块和数据采集模块，数据采集模块分别与加热调节阀、流量计、焓值变送器、压力传感器、温度传感器、液位传感器、制冷调节阀、进水调节阀和补液控制阀信号连接，控制模块分别与数据采集模块、加热调节阀、制冷调节阀、进水调节阀和补液控制阀信号连接。

8.一种双相冷板液冷系统的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的双相冷板液冷系统，所述方法包括：

设置冷凝储液器内部的压力目标域P0、过冷度目标域T0和液位目标域L0；

实时检测冷凝储液器内部的压力值P、过冷度T和液位值L；

判断液位值L是否在液位目标域L0范围内，若是，则维持当前液位，否则通过控制模块向补液控制阀发出信号执行补液动作，并继续检测冷凝储液器内部的液位值L；

判断冷凝储液器内部的压力值P是否在压力目标域P0范围内，若否，则通过控制模块向进水调节阀发出信号调节进水调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的压力值P；

若是，则判断冷凝储液器内部的过冷度T是否在过冷度目标域T0范围内，若是，则维持当前过冷度，否则通过控制模块发出信号调节加热调节阀或制冷调节阀，并继续检测冷凝储液器内部的过冷度T。